Біосинтез вуглеводів

Біосинтез вуглеводів з простіших сполук є досить важливим процесом, що протікає в біосфері. Він проходить в основному двома шляхами. Перший з них характерний лише для автотрофних фотссинте-зуючих організмів, які синтезують гексози з С0₃ і Н₂0 за участю енергії сонячного випромінювання. З гексоз, що утворились, далі синтезуються ди- і полісахариди.

450

Гетеротрофні організми такої здатності не мають. Утворення вуглеводів у таких організмах відбувається шляхом перетворення органічних сполук, які потрапляють з їжею, а також шляхом синтезу з проміжних сполук, що утворюються в процесі обміну речовин.

Глюконеогенез — це процес синтезу глюкози з невуглеводних попередників. Такими попередниками глюкози в глюконеогенез і є молочна і піровиноградна кислоти та інші сполуки, які можуть перетворюватись у ці кислоти.

Більшість стадій глюконеогенезу є зворотними реакціями гліколізу за винятком трьох реакцій — гексокіназиої, фосфофруктокіпаз-ної і піруваткіназної. Дані реакції необоротні, тому в процесі глюконеогенезу на цих трьох стадіях використовуються інші ферменти, і реакції пролодять непрямим шляхом. Нижче описано синтез глюкози з піровиноградної кислоти.

Перетворення піровиноградної кислоти в фосфоенолпіровиноградну. Піровиноградна кислота за участю ферменту мітохондріальної піру-ваткарбоксилази і при наявності активних С0₂ і АТФ карбоксилюєть-ся з утворенням щавлевооцтової кислоти:

ІЦавлевооцтова кислота відновлюється в мітохондріях до яблучної кислоти. Реакцію каталізує малатдегідрогеназа, коферментом якої є відновлена форма НАД:

Щавлево-оцтова кислота

Далі яблучна кислота з мітохондрій переходить у цитоплазму, де окислюється цитоплазматичною малатдегідрогеназою до щавлевооцтової кислоти:

451

Щ авлевооцтова кислота, що утворилась, під впливом ферменту фосфоенолпіруваткарбоксикінази перетворюється на фосфоенолпіровиноградну кислоту. При цьому донором фосфату є гуанозинтрифос-фат або інозинтрифосфат:

Далі фосфоенолпіровиноградна кислота внаслідок оборотності реакцій гліколізу перетворюється на фруктозо-1,б-дифосфат.

Перетворення фруктозо-1,6-дифосфату в фруктозо-6-фосфат. Фос-фофруктокіназна реакція необоротна, тому вона здійснюється непрямим шляхом. За цих умов фруктозо- 1,6-дифосфат перетворюється на фруктозо-6-фосфат при каталітичній дії специфічної фосфатази (фрук-тозо-67с-фосфатази):

ун

Фру к тозо-бі с-фосфа таза

ОН + Н іО ►

І 'СН,-0-Р = 0

ОН Н _он

Фр\ кто:ю-1.в-дифосфат

Слід зазначити, що фермент фруктозо-67с-фосфатаза активується АТФ і пригнічується АМФ. Ці нуклеотиди виявляють свою дію на активність фруктозо-67б--фосфатази, яка протилежна їх дії на фосфофрук-токіназу.

Далі фруктозо-6-фосфат завдяки протіканню зворотних реакцій гліколізу перетворюється на глюкозо-6-фосфат. У більшості тканин організму глюкозо-6-фосфат використовується для синтезу ди-, оліго-і полісахаридів. Однак у клітинах печінки, нирок, кишкового епітелію проходить і дефосфорилювання глюкозо-6-фосфату з утворенням вільної глюкози.

Перетворення глюкозо-6-фосфату в глюкозу. Ця реакція також проходить непрямим шляхом, оскільки вона необоротна. Дефосфорилювання глюкозо-6-фосфату відбувається не за участю гексокінази, а при каталітичній дії глюкозо-6-фосфатази (див. с 453).

Цей фермент відсутній у м'язах і мозку організму, тому ці тканини не можуть бути джерелом глюкози.

452

Жирними стрілками позначено реакції синтезу глюкози, світлими — реакції, які каталізують її розщеплення.

На основі наведених вище даних можна записати сумарне рівняння синтезу глюкози з піровиноградної кислоти:

153

Отже, для утворення кожної молекули глюкози необхідно шість молекул макроергічмих сполук і дві молекули відновленого НАД.

У клітинах організму досить інтенсивно проходить глюконеогепез також із проміжних сполук циклу трикарбонових кислот —попередників пірувату і фосфоенолпірувату, які здатні перетворюватись у молочну кислоту. Молочна кислота далі переходить з мітохондрій у ци-юилазму, де⁴ окислюється в щавлевооцтову кислоту з наступним утворенням! (}юа]юенолпіровиноградної кислоти, яка описаним вище способом перетворюється в глюкозо-6-фосфат. Є дані, що свідчать і про інший шлях глюконеогенезу з метаболітів циклу трикарбонових кислот. Він відбувається виключно в мітохондріях, механізм даного процесу повністю ще не з'ясовано.

Біосинтез дисахаридів. Важтивими представниками дисахаридів є сахароза, лактоза, мальтоза та деякі інші. Біосинтез їх здійснюється в основному за реакціями трансглікозування. При цьому процес перенесення глікозильного залишку на один моносахарид проходить з фосфорного ефіру другого моносахариду. Реакція каталізується ферментом — специфічною глікозилтрансферазою. За приклад можна взяти синтез дисахариду — сахарози. Тут за участю ферменту сахарозо-глюкозилтрансферази відбувається перенесення залишку глюкози з глюкозо-1-фосфату до молекули фруктози: ;и₂ои

нон₂с .о. н

Сахароза

Фермент, який каталізує цю реакцію, виділений з бактерій. Очевидно, в них таким шляхом відбувається синтез сахарози.

Синтез сахарози може проходити й іншим способом, зокрема шляхом взаємодії уридиндифосфоглюкози з фруктозою. Реакцію каталізує фермент сахарозосинтаза: Так синтезується сахароза в рослинах.

Розглянемо біосинтез іншого дисахариду —лактози, яка складається з двох моноз — глюкози і галактози. Він проходить у кілька стадій. Спочатку галактозо-1-фосфат взаємодіє з уридиндифосфоглк>

454

Н ОН ОН Н

Сахароза

козою. При цьому утворюється уридиндифосфогалактоза і глюкозо-1-фосфат. Далі сполуки, що утворились, взаємодіють між собою, при цьому синтезуються лактоза та виділяється уридинтрифосфат. Першу стадію реакції каталізує фермент уридинтрансфераза, другу — гліко-зилтрансфераза (див. с 455, 456).

Біосинтез полісахариду глікогену (глікогенез). Процес синтезу глГ-когену інтенсивно проходить у печінці і має важливе значення в

'н

)Н Н

Лактоза

утворенні рухомого резерву полісахаридів в організмі. Вихідними сполуками для синтезу глікогену можуть бути глюкоза, яка всмоктується з кишок у кров, а також глюкоза і глюкозо-6-фосфат, що утворюються в процесі глюконеогенезу.

Процес синтезу глікогену розпочинається з фосфорилювання глюкози за участю ферменту гексокінази. При цьому утворюється глюко-зо-6-фосфат:

_?н

СН,,-0-Р = 0

V он н он

Глюкозо-6-фосфат

Останній під впливом фосфоглюкомутази перетворюється на глюкозо-Ь фосфат:

_?н

СН;-0-Р = 0